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一种可用于锁相环的低功耗无片外电容型ldo的研究与设计

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一种可用于锁相环的低功耗无片外电容型LDO的研究与设计

作者：梁绪亮合肥工业大学

学位级别：硕士

ldo线性稳压器是电源管理系统的核心单元,一个低功耗、高性能的ldo不但可以使电子产品的工作环境更加稳定,还可以使电子产品的使用时间更加长久。随着片上集成系统的不断发展,传统的片外电容型ldo已经不适用于大部分便携式电子设备,因此... 详细信息

ldo线性稳压器是电源管理系统的核心单元,一个低功耗、高性能的ldo不但可以使电子产品的工作环境更加稳定,还可以使电子产品的使用时间更加长久。随着片上集成系统的不断发展,传统的片外电容型ldo已经不适用于大部分便携式电子设备,因此,对于无片外电容型ldo的研究是非常有必要的。本文设计了一款低功耗、无片外电容、集成摆率增强电路的ldo线性稳压器。采用密勒-调零技术,引入片内补偿电容,将环路的主、次极点分离,利用调零电阻将原本位于右半平面的零点移到左半平面,可以很好的保证整个环路的稳定性。为了优化ldo的瞬态响应,本文设计了一款新型的摆率增强电路,在负载或者输入电压发生变化时,动态地增加ldo的带宽和摆率,达到改善瞬态响应的目的。本文基于Cadence软件在0.18μm CMOS工艺下对所设计的ldo电路进行特性仿真验证,仿真结果为：在电源电压1.8V下输出电压为1.6V,静态电流为5μA,最大负载电流为200mA,压差为56mV,在不同的电源电压和负载条件下,相位裕度都在60°以上,负载瞬态响应的过冲和下冲分别为51mV和45mV,响应时间小于1.5μS,在不同工艺角下的仿真结果均显示了该ldo具有良好的性能。基于ldo的应用层面,本文还设计了一款快速锁定的电荷泵锁相环。基于动态环路带宽分配技术,提出了一种新型的加速PLL锁定过程的方案。在PLL的锁定过程中动态地增加环路带宽,加速环路锁定,当PLL即将锁定时,使环路带宽恢复到原先状态,在不引入大量相位噪声的同时使得PLL的锁定时间得以减小基于Cadence软件在0.18μm CMOS工艺下对所设计的PLL电路仿真,电源电压为1.6V,采用ldo对VCO稳压,仿真结果显示,基准频率为20MHz时输出频率为640MHz,锁定时间为1.5μs。

关键词： ldo线性稳压器瞬态响应锁相环锁定时间

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驱动SRAM的高速ldo的分析与设计

驱动SRAM的高速LDO的分析与设计

作者：沈毅飞西安电子科技大学

学位级别：硕士

低压差线性稳压器是电源管理类芯片中的一种,它在电子设备中的应用面非常广泛,譬如存储器芯片和固态硬盘,以及数模转换器和模数转换器芯片、锁相环等。同时也具有广泛的商业与工业用途,比如用在消费电子产品、无线通信设备、测试仪器以... 详细信息

低压差线性稳压器是电源管理类芯片中的一种,它在电子设备中的应用面非常广泛,譬如存储器芯片和固态硬盘,以及数模转换器和模数转换器芯片、锁相环等。同时也具有广泛的商业与工业用途,比如用在消费电子产品、无线通信设备、测试仪器以及中小型医疗器械等产业。不同的ldo线性稳压器有不同的性能优点,如高精度、高电源电压抑制比、低噪声、优良的瞬态响应性能等等,所以说,ldo在集成电路行业中扮演着重要的角色。静态随机存储器(SRAM)有着逻辑工艺兼容的特点,还有其高速的读写功能,并且功耗较低。在静态随机存储器中,存储单元和一些灵敏元件对电源供电非常的敏感,且需要满足其高速的读写功能,因此需要高速的瞬态响应性能,这就对存储芯片内部的电源模块提出较高的要求。本文提出了一种基于Intel 22nm FinFET CMOS工艺所设计的高速ldo线性稳压器,它的驱动能力为150mA,并用于静态随机存储器的电源系统。该ldo线性稳压器由误差放大器(慢环路)、功率调整管、翻转电压跟随器(快环路)及自校准模块等构成。其中,慢环路产生稳定的输出电压;电压信号经过复制环路的条件导通后再进入快环路,快环路由翻转电压跟随器和功率管组成,具有大摆率、大带宽的特性,当ldo线性稳压器的输出端产生负载电流的跳变时,整个系统的瞬态响应在快环路中进行反馈来调节电压,因为翻转电压跟随器具有更短的反馈路径和更大的带宽及摆率电流,因此这种特殊结构能够带来高速的瞬态响应。该ldo还有自校准模块以保证输出电压更精确。本文采用Cadence软件对ldo线性稳压器进行电路、版图设计和仿真分析。仿真结果表明:在1.24V电源电压下,该高速ldo线性稳压器的输出电压值为1.054V,在-4025摄氏度范围内的温度系数是32.37ppm/℃。其在低频情况下,系统的电源电压抑制比为-57dB。其功耗为6.86mA。为满足高速的瞬态响应性能,牺牲了负载调整率和线性调整率,负载调整率为0.095V/mA,线性调整率为0.04V/V。当输出端负载电流在0到150mA之间突变时,其中突变时间为1ns,输出下过冲电压值为28.2mV,而过冲恢复时间为23ns,输出上过冲电压值为18.8mV,过冲恢复时间是34.5ns,系统具备高速瞬态响应的性能,能够驱动静态随机存储器正常的高速读写工作。

关键词： ldo线性稳压器翻转电压跟随器运算放大器瞬态响应静态随机存储器

兼备Sink/Source快速瞬态响应ldo的研究与设计

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兼备Sink/Source快速瞬态响应LDO的研究与设计

作者：关姗西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来存储器产业迅猛发展,随着输入电源电压的降低DDR存储器存储空间在逐渐增大,时钟频率以及数据传输速率也在加快,对SSTL接口协议的要求也越来越高。针对于DDR、DDR2、DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4等存储器电源应用的场合,需要带负载... 详细信息

近年来存储器产业迅猛发展,随着输入电源电压的降低DDR存储器存储空间在逐渐增大,时钟频率以及数据传输速率也在加快,对SSTL接口协议的要求也越来越高。针对于DDR、DDR2、DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4等存储器电源应用的场合,需要带负载能力强、输出精度高、瞬态响应特性好以及能够灌/拉负载的电源供电。电源管理芯片中,ldo线性稳压器输出纹波小、响应速度快、输出精度高,结构简单成本低等优点,成为DDR存储器供电的首选芯片。本文设计了一款兼备Sink/Source快速瞬态响应的ldo线性稳压器芯片—XD1997,该芯片采用双电源电压供电,内部输入电压可低至2.5V;需要一个20μF的输出电容来实现快速瞬态响应速度;输出级上下功率管是NMOS推挽式输出,可以实现Sink/Source 3A负载。所设计的误差放大器采用对称形式的OTA结构,多路电流镜结构使误差放大器输出成为低阻抗结点并且该极点位于高频,高输出摆率提高了ldo的瞬态响应速度,大的G增大了ldo增益以及带宽,整个系统是一个G驱动的单极点系统,此外设计了静态电流控制电路,防止空载时贯穿大电流现象。电压缓冲器的输出电压REFOUT应用于各种DDR条件下的参考基准,能够实现Sink/Source 10mA负载,利用跨导线性理论来设置电压缓冲器输出级的静态电流,通过增加补偿电路产生两个随Sink/Source变化的组合零点,实现了Sink/Source负载电流下的环路稳定性。对称形式的软启以及过流限制电路在Sink/Source时均能实现,且过流限制水平在PGOOD不正常时变为正常时的一半。PGOOD控制输出电路能实时检测输出电压的变化,当输出电压未在参考电压±20%窗口范围之内,PGOOD信号被拉低,该电路内部集成了OSC模块来实现2ms的启动延时,能够精确控制PGOOD信号的启动和关闭。基于0.35μm BCD工艺,使用Cadence公司的spectre仿真软件进行仿真,结果表明:该ldo使用双电源技术应用于各种DDR存储器供电,推挽式输出能够实现Sink/Source 3A负载,且负载从-3AA变化时输出电压仅变化20mV,负载调整率0.26%/A;输出电流从-1.5A跳变到1.5A,3μs上升时且输出电压过冲仅19mV,2.3μs恢复正常输出;电压缓冲器最大驱动负载±40mA,且负载从-10mA0mA变化时,输出仅变化2mV左右;静态功耗仅有0.18mW,仿真结果满足设计要求。

关键词： Sink/Source 快速瞬态响应 ldo线性稳压器多路电流镜 Gm驱动的单极点系统

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人工视网膜信号处理电路

人工视网膜信号处理电路

作者：王搏北京交通大学

学位级别：硕士

人工视网膜信号处理电路用于恢复由于外层视网膜变性疾病(如视网膜色素变性(RP)和老年黄斑变性(AMD))导致的视觉障碍患者的视力,该电路的核心由无线供电、数据解调和刺激驱动电路组成,该芯片由外部发射电路发射刺激信号,芯片内部接收来... 详细信息

人工视网膜信号处理电路用于恢复由于外层视网膜变性疾病(如视网膜色素变性(RP)和老年黄斑变性(AMD))导致的视觉障碍患者的视力,该电路的核心由无线供电、数据解调和刺激驱动电路组成,该芯片由外部发射电路发射刺激信号,芯片内部接收来自外部发射的指令,并驱动一个电流脉冲电极阵列来刺激视网膜神经细胞,从而使失明或濒临失明的患者恢复部分视力。尽管国内外的研究组织已经相继开展了相关研究,但是该技术仍然面临着巨大的挑战,比如芯片内部电源的稳定性、无线信号传递的效率、视神经刺激信号的刺激方式、芯片的长期稳定性和生物兼容性等。论文首先对人工视网膜信号处理电路的的基本结构和工作原理进行了分析,然后对芯片进行了系统级的研究与设计,设定了电特性指标、分析了系统中各模块的设计考虑因素、研究了各模块的改进方案,继而对芯片的关键模块进行了电路设计与仿真验证并完成版图设计,最后给出了芯片的测试结果。论文基于上华0.5μm的标准CMOS工艺,利用Cadence仿真平台设计了一种人工视网膜信号处理电路,该电路由CMOS整流电路、无片外电容低压差线性稳压器(Low Drop-Out Regulator,ldo)和无线信号解调电路组成,电路设计中考虑了植入式芯片对面积和功耗的严格要求,采用了全片内集成的电路结构,芯片通过外部发射的13.56MHz的ASK信号获得稳定的能量和数据,仿真结果显示,CMOS整流电路可以将输入ASK信号转换为3.8V的电压;无片外电容ldo线性稳压器可以产生稳定的3.3V电源,其最大输出电流能力可达到40mA,并且稳定性和瞬态响应较好;ASK解调电路可以在很大输入频率范围内(1MHz～30MHz)实现信号的正确解调,并且解调的ASK信号最小调制深度为11%。芯片总面积为0.5mm2,总静态功耗为500μW。最后对芯片进行了测试,测试结果显示芯片的整流电路和无片外电容ldo线性稳压器的功能和性能均已达到预定设计要求,可以满足植入式系统需要。

关键词：视网膜芯片无线数据传输 CMOS整流 ldo线性稳压器 ASK解调

磁谐振无线能量传输系统及其信号处理电路研究

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磁谐振无线能量传输系统及其信号处理电路研究

作者：张汉儒北京交通大学

学位级别：硕士

磁谐振能量传输系统及其信号处理电路主要应用于微型植入式医疗仪器的供电,它具有无需导线连接、不受使用寿命的限制、生物兼容性好等优点。该系统主要包括体外发射电路E类功率放大器、磁谐振四线圈、全CMOS整流电路、高电源抑制比带隙... 详细信息

磁谐振能量传输系统及其信号处理电路主要应用于微型植入式医疗仪器的供电,它具有无需导线连接、不受使用寿命的限制、生物兼容性好等优点。该系统主要包括体外发射电路E类功率放大器、磁谐振四线圈、全CMOS整流电路、高电源抑制比带隙基准源和无片外电容低压差(Low Drop-Out, ldo)线性稳压器。磁谐振四线圈能量耦合相比于常用的两线圈传输效率高,受距离影响小,全CMOS整流电路和无片外电容低压差线性稳压器便于集成,符合植入式医疗仪器高效率高集成度的要求。论文首先分析了磁谐振能量传输系统的各模块的基本结构和工作原理,然后详细介绍了芯片处理电路各模块的设计过程,包括电路的具体实现、仿真验证和版图设计,最后对整个系统进行了测试,并对测试结果进行了分析。本文中E类功率放大管采用的是IRF540,由于控制频率在1MHz左右,采用74HC04反相器芯片驱动放大管;磁谐振四线圈采用Litz线绕制,相对于漆包线线圈的Q值更高,可得到更高的传输效率。整流电路采用全CMOS结构,基于CSMC0.5pm的标准CMOS工艺,工艺兼容性好,低压差线性稳压器基于SMIC0.18μm1P6M工艺,采用了无片外电容结构,提高系统的集成度。接收端线圈的直径仅为1.9cm,便于体内集成,当谐振线圈距离为1.5cm,控制频率为742kHz时,无线传输耦合效率可达到85%,带隙基准源通过添加预调节稳压结构使其在低频时的电源抑制比达到了125dB,相比于没有预调节稳压结构的基准源提高了约60dB;无片外电容低压差线性稳压器可以产生1.8V左右稳定输出电压,最大输出电流为50mA。对低压差线性稳压器芯片进行测试得负载调整率为0.189%/mA,线性调整率为0.239%/V,控制信号的上升时间和下降时间为1us时,产生的最大纹波为219mV。对整个系统进行测试,当负载为电阻为200Ω,距离为1cm时,可得到1.8V左右稳定的电压输出。

关键词：磁谐振无线能量传输传输效率 E类功放 CMOS整流电路带隙基准源 ldo线性稳压器信号流图

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基于S波段CMOS射频集成滤波器设计

基于S波段CMOS射频集成滤波器设计

作者：王蒙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近些年,通信系统的迅猛发展,无线通信设备普遍使用固定频率的前端滤波器来滤除干扰噪声信号,进而保护接收机信号路径不受干扰源的影响,对于频分双工(FDD)系统,干扰信号包括来自同一设备的传输信号。尽管前端滤波器表现出优异的性能,但... 详细信息

近些年,通信系统的迅猛发展,无线通信设备普遍使用固定频率的前端滤波器来滤除干扰噪声信号,进而保护接收机信号路径不受干扰源的影响,对于频分双工(FDD)系统,干扰信号包括来自同一设备的传输信号。尽管前端滤波器表现出优异的性能,但是存在一个固有的缺点,常用的滤波器是不可调谐的,这就意味着设备使用的每一个频段都需要一个单独的滤波器,对于日趋高集成的芯片来说,这显然是不愿意接受的,而对于产品级芯片,每多一个滤波器就会增加芯片的面积,而面积增加就意味着成本增加。除此之外,多模多频射频接收机已经成为通信产业的发展趋势,这更加推动了可调谐滤波器的研究与发展。在拥挤的无线环境中使用带宽可以改变的并且中心频率可以调谐的滤波器,可以减小硬件系统对固定频率滤波器的需求。本文基于这一现状,针对混频器NPath滤波器的研究,提出了一种基于S波段CMOS射频集成滤波器,所提出滤波器的中心频率覆盖S波段,可以在2GHz到3.3GHz内实现中心频率的调谐,以满足在宽带内多个频段上工作的需求。并且使用频率偏移技术,改变N-Path混频器网络的中心频率,对结果差分输出,拓宽了滤波器的3d B带宽,抑制掉无源N-Path滤波器结构的偶次谐波,提升了滤波器带外抑制,增加了滤波器的滤波特性。此外,引入跨导电容结构,通过数字电路控制,调整滤波器的带宽,实现滤波器品质因数的调谐。最后,基于SMIC55＿LP＿RF工艺并经Cadence Spectre仿真器进行版图设计以及仿真验证,滤波器在2GHz～3.3GHz宽带范围内实现中心频率的连续可调,通带增益在0d B～3d B之间,随着频率增加,增益有所衰减。滤波器带外抑制大于25d B@200MHz频偏。通带范围内纹波系数小于0.6d B,通带平坦,滤波特性优良。并且滤波器的通带带宽可以数字电路控制通过调谐,在中心频率为3.3GHz时的滤波带宽能够调谐到小于100MHz,即滤波器Q值大于33。滤波器覆盖带宽范围内,滤波器1d B压缩点大于-3.5d Bm。

关键词：可调谐滤波器 N-Path混频单元四相不交叠时钟 ldo线性稳压器

基于动态零点补偿的低压降线性稳压芯片的研究与设计

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基于动态零点补偿的低压降线性稳压芯片的研究与设计

作者：王进军西北大学

学位级别：硕士

本论文在分析一般负反馈系统稳定性的基础上，对ldo线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator)的稳定性进行了深入地分析研究和稳定性动态零点补偿设计。首先，建立了ldo线性稳压器系统的交流小信号等效模型，在此等效模型的基础上，... 详细信息

本论文在分析一般负反馈系统稳定性的基础上，对ldo线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator)的稳定性进行了深入地分析研究和稳定性动态零点补偿设计。首先，建立了ldo线性稳压器系统的交流小信号等效模型，在此等效模型的基础上，采用频域傅立叶分析的方法，求出了ldo线性稳压器系统的闭环传输函数，在对系统零极点分析的过程中发现，ldo线性稳压器系统的主极点的位置随负载电流的大小在变化：f=λI／2πC，负载电流大小的不同使得ldo线性稳压器随时都可能振荡。针对此情况，本论文给出了一种ldo线性稳压器稳定性动态零点补偿的方法，该方法的主要思想是利用MOS管开关电阻和寄生电容构成零点补偿网络，通过负载采样电流动态调整MOS管的工作状态，进而调节补偿电阻电容的值，使其产生的动态补偿零点抵消ldo线性稳压器系统主极点位置随负载电流大小变化给ldo线性稳压器稳定性带来的影响，从而使得ldo线性稳压器系统的稳定性与负载电流大小无关。之后，本论文利用上述给出的动态零点补偿方法，采用UMC 0.6um BiCMOS process进行了一款应用于各类无线通讯设备高性能、高稳定ldo线性稳压芯片设计。最后，对所设计的ldo线性稳压芯片进行了稳定性验证和性能参数仿真，仿真结果表明：负载电流从0变化到150mA时，该ldo线性稳压芯片闭环传输函数曲线变化很小，具有很高的稳定性;其典型参数仿真结果如下：输出电压2.5V±0.15％;最大漏失电压65mV;最大正常工作输出电流150mA;最大静态电流163uA;短路电流620mA;最大启动时间200us;线性调整率0.02％／V;负载调整率0.0008％／mA;电源抑制比75dB(低频);输出噪声密度0.9uV／(Hz);AC线性调整率：0.73mV，热关断温度160℃;欠压关断电压2.43V。

关键词： ldo线性稳压器动态零点补偿稳定性

应用于智能电池中的宽输入电压范围的ldo线性变换器设计

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应用于智能电池中的宽输入电压范围的LDO线性变换器设计

作者：冯肖雄哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在便携式设备的电源管理领域,需要片上电源转换器来应对不同的供电要求,而低压差线性稳压器(ldo,low-dropout voltage linear regulator)利用低压差、低噪声等综合优势在电源转换器中脱颖而出,并逐渐成为一种成熟的技术。本文设计的LD... 详细信息

在便携式设备的电源管理领域,需要片上电源转换器来应对不同的供电要求,而低压差线性稳压器(ldo,low-dropout voltage linear regulator)利用低压差、低噪声等综合优势在电源转换器中脱颖而出,并逐渐成为一种成熟的技术。本文设计的ldo稳压器应用于笔记本智能电池管理芯片,锂离子电池的电量会随着使用时间而显著降低,需要片上ldo线性稳压器在锂离子电池从4.5到28V宽输入范围内变动时能输出精确的1.8V,并满足1mA-20mA负载电流范围内的电源稳定。本文首先介绍了ldo线性稳压器的发展概况、拓扑结构以及工作原理,并针对稳压器的负反馈环路进行频率稳定性分析、直流特性以及瞬态响应分析,在考虑稳压器各模块设计要求和参数折衷关系后,设计了一款将4.58V高电源电压转换为1.8V的ldo线性稳压器。其次,为了降低高压管设计带来的功耗和版图面积的问题,采用预稳压电路将输入高压降为粗略的3.3V作为内部低压模块的供电电压,由于预稳压ldo的主极点在稳压电路的内部产生,因此采用密勒补偿的方法即可确保预稳压ldo的稳定性。最后在3.3.8V核心ldo的设计中,为了确保1mA0mA负载电流变化范围内的稳定性,电路中采用了片外2.1uF电容确定主极点的位置,并利用电压缓冲级隔离前级放大级的高输出阻抗和调整管栅极电容以避免低频极点的产生,在差分输入级之后加入RC补偿网络,利用附加零点来提高两个低频极点引起的相位损失,在单位增益频率之外,利用相位超前补偿和ESR补偿频率补偿方法来补偿高频极点。针对TSMC0.5umHV40V工艺模型,完成了电路与版图设计,本论文设计的ldo实现的功能指标为:输入电压范围(4.58V),输出1.8V稳压值,负载电流20mA,正常工作的温度范围(-405℃),瞬态响应的输出超调量在40mV以内,线性调整率为0.00083%,负载调整率为0.0026mV/mA,静态电流为12636uA。版图面积为1300um×2000um。

关键词：电源管理 ldo线性稳压器预稳压密勒补偿相位超前补偿